基于MEMS工藝的微起爆器性能研究

薛 艷，劉 衛，解瑞珍，任小明，劉 蘭，蘇 謙

基于MEMS工藝的微起爆器性能研究

薛 艷，劉 衛，解瑞珍，任小明，劉 蘭，蘇 謙

（陜西應用物理化學研究所 應用物理化學重點實驗室，陜西 西安，710061）

針對MEMS火工品低能化、集成化技術要求，設計了一種基于MEMS工藝的微起爆器，通過仿真計算獲得了基體材料、換能元材料、火工藥劑與微起爆器起爆性能的影響規律，確定了微起爆器的結構參數；通過MEMS工藝完成微起爆器一體化集成制作，對結構參數以及起爆性能進行了測試，結果表明結構尺寸與設計尺寸誤差小于6%；微起爆器發火電壓小于3V，裝藥直徑1mm、裝藥量2.0mg時，可以可靠起爆CL-20炸藥，實現了低能化、集成化的要求，為MEMS火工品提供技術支撐。

微起爆器；MEMS技術；Ni-Cr換能元；仿真計算；性能測試

為適應信息化武器裝備和各類微型武器的發展需要，火工品開始向功能多元化、換能元信息化、結構微型化、序列集成化的MEMS火工品方向發展[1-4]。MEMS火工品的特點為換能結構和藥劑結構尺度為微米量級，核心器件尺度為亞毫米量級，系統尺度為毫米量級[5]。21世紀初，以美國為首的發達國家對MEMS火工品展開了廣泛研究，其中，2004年美國報導了一種用于MEMS引信安保裝置中的微型起爆器，制造工藝采用MEMS工藝，初始裝藥量約為3mg，器件尺寸為1mm×1mm×0.5mm[6]；2007年法國Carole Rossi研制了MEMS發火裝置，將換能元、MEMS開關及含能材料一體化集成，實現了保險功能[7]；2008年美國采用MEMS技術，研制替代M100電雷管的微型平面雷管，全發火電壓3V，100μF，并應用于手榴彈等常規彈藥[8]。2012~2018年國內陜西應用物理化學研究所開展了微結構換能元、硅基微平面雷管[9-11]研究，獲得了微結構換能元構效關系以及發火電壓小于5V的微型雷管。然而實現火工品低能化、集成化仍是MEMS火工品技術發展的方向。

本文主要針對MEMS火工品低能化、集成化技術要求，設計了一種基于MEMS工藝的微起爆器件，通過仿真計算優化了結構參數，采用MEMS工藝完成一體化集成制作，并對性能進行測試分析。

1 微起爆器仿真計算

1.1 物理模型

微起爆器主要由微結構換能元層、微結構裝藥腔體層、初始起爆藥裝藥組成。采用ANSYS軟件對微起爆器的起爆性能進行仿真計算，其中影響微起爆器起爆性能的主要有基體、換能元材料、裝藥等因素。

微起爆器起爆過程為瞬態過程，微起爆器件起爆性能受器件基體、微結構換能元材料、裝藥等性能影響，因此選取與微結構換能元接觸部分的裝藥、換能元材料和基體為研究對象，其物理模型如圖1所示。

圖1 微起爆器物理模型

1.2 仿真計算

1.2.1 基體材料對起爆性能的影響規律

基體材料應與微起爆器結構、制作工藝相兼容；并且需要考慮基底材料的熱傳導、電阻率物理性能參數，因此選擇Pyrex7740玻璃和硅作為微起爆器的基體材料，進行仿真計算和發火性能驗證，結果如表1、圖2所示。

實驗測試值和仿真計算結果吻合，微起爆器的基體材料為Pyrex7740玻璃時，平均發火電壓比硅基體微起爆器平均發火電壓降低50%。熱導率越低則導熱性能越差，熱量散失越小，換能元熱量積累越多越快；換能元的溫度越高，傳遞到初級裝藥的溫度越高，越有利于形成熱點。因此，為了實現微起爆器低能化，基體選用低熱導率的Pyrex7740玻璃材料。

表1 不同基體材料微起爆器件發火電壓參數

Tab.1 Ignition voltage of micro-detonator with different material type of substrates

圖2 不同基體材料的起爆性能規律和驗證

1.2.2 換能元材料對起爆性能的影響規律

微結構換能元材料常選用包括Ni-Cr、Pt、Wu、Cu、Al等金屬材料，因此對常用金屬換能元材料的發火性能的變化規律進行了仿真計算，同時結合MEMS工藝、微起爆器等兼容性要求，選擇Ni-Cr、Pt、Al金屬換能元進行發火性能驗證，結果如表2、圖3所示。

表2 不同換能元材料微起爆器件發火電壓參數

Tab.2 Ignition parameters of micro-detonator with different material type of micro-heaters

圖3 不同換能元材料的起爆性能規律和驗證

由圖3可見實驗測試值和仿真計算結果吻合，隨著換能元電阻的增加，換能元的臨界發火電壓呈冪函數形式增加；比較發現，在換能元電阻相同時，Ni-Cr、Pt、Cr 3種材料的發火電壓較低，同時采用換能元發火實驗進行了驗證。綜合工藝難度、材料造價、性能等問題，在微起爆器的設計和集成制作中，選擇Ni-Cr金屬薄膜作為微起爆器的換能元材料。

1.2.3 火工藥劑對起爆性能的影響規律

不同藥劑需要的發火能量不同，針對微起爆器含能材料的需求，以Ni-Cr換能元引發斯蒂芬酸鉛、疊氮化鉛和疊氮化銅藥劑，計算相同換能元下，不同藥劑與臨界發火電壓的關系，結合火工藥劑的特性，選擇斯蒂芬酸鉛和疊氮化銅進行起爆性能驗證，結果如圖4所示。

圖4 不同藥劑時發火電壓隨換能元電阻的變化規律

由圖4可見，實驗測試值和仿真計算規律趨勢吻合。仿真計算表明，隨著換能元電阻值的增加，發火電壓呈冪函數的形式不斷增加。比較不同藥劑的發火電壓變化曲線，可以發現當換能元初始電阻值相同，采用斯蒂芬酸鉛作為藥劑時，換能元的臨界發火電壓最低，疊氮化鉛的臨界發火電壓最高，疊氮化銅的臨界發火電壓居于二者之間。起爆性能驗證試驗中，Ni-Cr換能元不能直接起爆疊氮化鉛，起爆斯蒂芬酸鉛的發火電壓低于起爆疊氮化銅的發火電壓，為滿足微起爆器起爆能力的要求，選擇原位疊氮化銅裝藥，可以降低微起爆器的起爆電壓。綜合微起爆器工藝兼容性和性能要求，確定了微起爆器件結構材料：Pyrex 7740玻璃作為基體材料，Ni-Cr為換能元材料，疊氮化銅為火工藥劑材料。

2 微起爆器集成及表征分析

2.1 一體化集成制作

分析微起爆器件一體化集成及與MEMS工藝兼容性要求，裝藥腔體不同于傳統裝藥殼體（金屬殼體）的加工，采用深硅刻蝕（ICP）工藝在硅基體材料加工而成，形成微型平面結構裝藥腔體；同時采用MEMS工藝完成微結構換能元的制作，通過鍵合工藝在硅玻界面上加壓，使玻璃/硅界面形成了良好的封接；通過劃片工藝形成小的單元結構。

在微起爆器件裝藥腔體內實現疊氮化銅的原位制備，完成了微起爆器件一體化集成，形成的微起爆器件如圖5所示。

圖5 微起爆器一體化集成及單個器件結構

2.2 性能表征

通過奧林巴斯激光共聚焦顯微鏡5100、安捷倫5500原理力顯微鏡、DEKTAK150臺階儀對微起爆器件關鍵原件進行測試，結果如圖6~7所示。

圖6 微結構換能元形貌分析

圖7 微結構裝藥腔體形貌分析

圖6~7表明：微結構換能元圖形清晰，邊緣規整，致密性高；表面粗糙度最小幾個納米，最大小于35nm，具有較好的表面粗糙度特性；平均厚度為0.954μm，裝藥腔體厚度988.5μm，直徑990.5μm，結構尺寸與設計尺寸吻合，誤差小于6%。

3 微起爆器性能測試

3.1 臨界發火電壓測試

采用蘭利法測試微起爆器的發火性能。理論上，在某一確定的儲能電容條件下，能使器件發火的最小初始激勵電壓為臨界發火電壓。由于微起爆器制作、裝藥等工藝偏差，導致了臨界發火電壓存在一個分布區間，綜合微起爆器的產品狀態和性能，臨界發火電壓的中值應該接近或者等于臨界發火電壓的理論值，所以在實驗中認定微起爆器50%的發火電壓為其臨界發火電壓。采用蘭利法對微起爆器發火性能進行測試，1#、2#樣品裝藥疊氮化銅（2.0mg，2.32g/cm3），3#、4#樣品裝藥斯蒂芬酸鉛（1.0mg，1.18g/cm3）。發火性能測試結果如表3所示。實驗測得1#、2#的臨界發火電壓均值分別為2.57V、2.33V，高于3#、4#的臨界發火電壓均值2.05V、2.12V，表明微起爆器的臨界發火電壓與藥劑有關。

表3 微起爆器件發火性能測試結果

Tab.3 Ignition property test results of micro-detonator

3.2 輸出性能測試

對微起爆器不同厚度、不同直徑、不同裝藥量進行了輸出性能測試，發火電壓：5V，起爆1mm松裝層CL-20，藥量：3.7～4.2mg，測試結果如表4所示。

表4 微起爆器輸出性能測試結果

Tab.4 Output property test results of micro-detontor

從表4測試結果可以看出，對于1mm裝藥高度的微起爆器，直徑1mm、藥量1.8mg條件下，100%起爆CL-20裝藥，直徑0.8mm、裝藥量1.4mg條件下，起爆成功率只有80%；對于1.5mm裝藥高度的微起爆器，直徑0.8mm、裝藥量2.0mg條件下，100%起爆CL-20裝藥，因此，微起爆器的起爆CL-20的臨界裝藥直徑范圍為0.8~1.0mm之間，裝藥直經大于等于1mm，裝藥量大于等于1.8mg，可以可靠起爆CL-20裝藥。

4 結論

（1）設計了一種基于MEMS的微起爆器，通過仿真計算獲得了基體材料、換能元材料、火工藥劑對微起爆器起爆性能的影響規律，確定了微起爆器的結構參數。（2）通過MEMS工藝一體化集成制作了微起爆器，結構尺寸與設計尺寸相吻合，誤差小于6%。（3）微起爆器臨界發火電壓2.57V，99%發火電壓小于3V，裝藥直徑大于等于1mm、裝藥量大于等于1.8mg時，可靠起爆CL-20，本研究實現了低能化、集成化的要求，為MEMS火工品提供技術支撐。

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Research on Performance of Micro-detonator Based on MEMS Technology

XUE Yan, LIU Wei, XIE Rui-zhen, REN Xiao-ming, LIU Lan, SU Qian

(Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory, Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061)

Aiming at the requirements of low energy and integrated technology of MEMS pyrotechnics, a micro-detonator was designed. The influence of matrix materials, transducer materials and pyrotechnics on the detonation performance of micro-detonator was obtained through simulation, and the structural parameters of the micro-detonator were determined. The micro-detonator was integrated by MEMS process and the performance test was carried out. The results show the structure size is consistent with the design size, and the error is less than 6%. The critical ignition voltage of the micro-detonator is less than 3V, under the critical charge diameter of 1mm and charge mass of 2.0mg, the micro-detonator can initiate CL-20 reliably. It provides technical support for MEMS pyrotechnics to achieve the requirements of low energy and integration.

Micro-detonator；MEMS technology；Ni-Cr transducer element；Simulation；Performance testing

TJ45+2.3

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2020.01.004

1003-1480（2020）01-0014-04

2019-10-10

薛艷（1981 -），女，高級工程師，主要從事微小型火工品技術研究。